連陰天氣下溫棚內(nèi)逐時降溫模型研究

趙兔祥+李劍萍+官景得+黃冬+陳國+蔡江宏+王文娟+蔣國勇

摘要 以永寧縣主栽瓜果蔬菜的二代節(jié)能日光溫棚為研究對象，利用自動氣象站實(shí)時監(jiān)測的溫棚內(nèi)溫濕度、總輻射以及棚外溫度氣象要素?cái)?shù)據(jù)，分析各氣象要素之間的關(guān)系，得到連陰天氣下夜間棚內(nèi)溫度的逐時變化規(guī)律，建立基于外界氣溫、輻射、時間等要素的棚內(nèi)氣溫預(yù)報(bào)方程，以服務(wù)于設(shè)施溫棚生產(chǎn)管理，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)，指導(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)合理、及時地開展溫棚增溫措施，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)民保收的目的。

關(guān)鍵詞 溫棚；氣溫；降溫模型；連陰天氣

中圖分類號 S161.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）06-0242-02

設(shè)施農(nóng)業(yè)是以園藝作物高效生產(chǎn)和反季節(jié)栽培為主的產(chǎn)業(yè)定向，利用工程技術(shù)和可控手段，創(chuàng)造出使作物可以四季生長發(fā)育的條件，實(shí)現(xiàn)集約、高效、可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，單位面積產(chǎn)值一般可達(dá)大田的7～10倍[1-2]。第二代節(jié)能日光溫棚已成為永寧縣主要的農(nóng)業(yè)設(shè)施，截至2015年，全縣發(fā)展面積已達(dá)4 813.33 hm2。主要種植芹菜、西紅柿、香瓜、黃瓜、葡萄、李子等蔬菜瓜果，成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收的主要產(chǎn)業(yè)。

日光溫棚作物的生長受溫室內(nèi)溫度、濕度、光照等小氣候的影響，而溫棚內(nèi)小氣候的變化在很大程度上受外界天氣的影響[3-5]。20世紀(jì)60年代開始，國外有很多學(xué)者先后開展了溫棚氣溫模型、溫棚內(nèi)各層穩(wěn)態(tài)能量平衡方程等方面研究。國內(nèi)儲長樹、劉克長、錢劍銳等[6-8]對日光溫棚溫光性能、棚內(nèi)溫濕度變化規(guī)律等進(jìn)行了研究分析，對推進(jìn)當(dāng)?shù)卦O(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。但目前研究的預(yù)報(bào)模型多為統(tǒng)計(jì)模型，溫室類型、結(jié)構(gòu)和氣候地域性差異等因素使不同地區(qū)的預(yù)報(bào)模型難以直接應(yīng)用。此外，針對本地溫室大棚，尤其是連陰天氣低溫凍害的預(yù)報(bào)模型尚未開展。

本文擬選永寧縣設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣最多的第二代節(jié)能日光溫棚為研究對象，在溫棚內(nèi)外建立自動氣象站收集氣象要素資料。選擇冬季典型連陰天氣，結(jié)合棚內(nèi)外氣溫、輻射等氣象要素，建立基于連陰天溫棚內(nèi)氣溫的逐時降溫模型，以期為永寧縣冬季日光溫棚夜間低溫預(yù)報(bào)防御工作提供決策依據(jù)，開展設(shè)施農(nóng)業(yè)防凍減災(zāi)氣象服務(wù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

供試日光溫棚位于永寧縣永清設(shè)施園區(qū)內(nèi)（106.27°E，38.32°N），距離永寧國家基準(zhǔn)氣象站8 km，大棚為東西走向，東西長50 m，南北跨度8 m，后墻為土夯墻（高3.8 m），兩側(cè)為磚墻，棚膜為0.08 mm厚的聚乙烯塑料薄膜，棚膜架為鋼管材質(zhì)。大棚在冬季9：00以后拉苫，17：00以后放苫。氣象數(shù)據(jù)來源于溫棚內(nèi)、外安裝的小氣候自動站（華云CAWS600），可實(shí)時監(jiān)測棚內(nèi)溫度、濕度、總輻射和棚外溫度。自動站為此項(xiàng)目的研究提供了完善的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)為每小時整點(diǎn)采集。該站自建站以來，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可用性非常強(qiáng)。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、趨勢擬合等方法，分析連陰天氣溫棚內(nèi)氣溫與總輻射、棚外氣溫的變化規(guī)律，得出棚內(nèi)逐時降溫模型；并運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)差（SE）、均方差根值（RMSE），對模型可用性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

通過整理、記錄、分析2014年、2015年冬季氣象數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)2014年2月4—8日為最具代表性的連陰天氣（7日輻射較強(qiáng)，屬多云間晴天氣，夜間棚內(nèi)溫度仍然走低，而8日又是全陰天，為便于建模，故保留7日數(shù)據(jù)）。其連陰天數(shù)最長，且溫棚內(nèi)氣溫后續(xù)降到1 ℃左右，影響到棚內(nèi)作物的正常生長，故本文選取這段時間的數(shù)據(jù)為研究對象做降溫段模型。圖1為棚內(nèi)外氣溫、棚內(nèi)總輻射的5 d變化規(guī)律?？梢钥闯?，棚外受自然環(huán)境影響溫度變化比較劇烈，溫度波峰和波谷比較明顯，呈明顯的日周期變化；而棚內(nèi)溫度變化相對比較平穩(wěn)，溫度波峰明顯，波谷不明顯，這是由于溫棚內(nèi)環(huán)境相對穩(wěn)定，升溫快、降溫慢的原因。從連續(xù)5 d的棚內(nèi)數(shù)據(jù)來看，大約從每日0：00—10：00（2月4日11：00—14：00數(shù)據(jù)跳變，在考慮中舍棄）棚內(nèi)溫度變化幅度較小，變幅為0～3 ℃，且5 d內(nèi)該時段數(shù)據(jù)連續(xù)性較好、差異小。但隨著陰天的持續(xù)，同時段溫度變幅逐漸變大，氣溫逐漸降低，棚內(nèi)溫度也在該時間段出現(xiàn)全天最低氣溫。10：00以后，即便微弱的輻射，棚內(nèi)溫度也明顯上升。凍害主要在夜間發(fā)生，研究白天氣溫變化對研究凍害意義不是太大，所以本文遴選2月4—9日夜間0：00—10：00的數(shù)據(jù)開展模型研究。

2.1 模型建立

將選取的數(shù)據(jù)放在連續(xù)時序圖（圖2）上，發(fā)現(xiàn)氣溫?cái)?shù)據(jù)呈指數(shù)規(guī)律下降，即y=aexpx，經(jīng)分析模擬得到具體的降溫方程為T=8.702 1exp（-0.015i）。其中，T為棚內(nèi)溫度，i為時序，相關(guān)系數(shù)R2=0.857 2，相關(guān)性較好。

當(dāng)時序?yàn)?時，起始溫度始終為8.702 1 ℃，當(dāng)連陰天前的白天輻射強(qiáng)時，起始溫度會變高；白天輻射弱，起始溫度會降低。因此，起始溫度與當(dāng)天的總輻射累計(jì)值有關(guān)，與夜間0：00的棚外氣溫也有關(guān)（溫度差導(dǎo)致熱傳遞速度不同），指數(shù)前的系數(shù)由白天總輻射累計(jì)值和夜間0：00棚外溫度共同決定（這里不考慮溫棚保溫性能和材質(zhì)等因素）。1月1日至2月20日為溫棚低溫凍害的多發(fā)時段，從2014年該段時期選擇出具有代表性的34組晴天數(shù)據(jù)綜合分析白天總輻射累計(jì)值和當(dāng)日夜間0：00棚外溫度（選擇數(shù)據(jù)時舍棄了該段時間陰天數(shù)據(jù)，因?yàn)樵摱文Ｐ椭饕悄M晴天情況下夜間0：00的棚內(nèi)溫度）。用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行多元回歸分析，得出夜間0：00的棚內(nèi)氣溫（指數(shù)系數(shù)）關(guān)系式為a=7.599+0.000 24 f+0.41t（式中，f為當(dāng)日總輻射累計(jì)值，t為當(dāng)日夜間0：00棚外氣溫），顯著性值<0.005，說明模型非常顯著；R2=0.867，說明模擬效果非常好，93.1%的預(yù)測可以用此模型。將實(shí)測值與模擬值生成1∶1相關(guān)圖（圖3），離散點(diǎn)都在y=x附近，該回歸方程可信。結(jié)合降溫段方程和系數(shù)確定方程，總模型為2段方程的乘積，即

T=（7.599+0.000 24f+0.41t）exp（-0.015i）

式中， f為當(dāng)日白天的總輻射累計(jì)值，t為當(dāng)日夜間0：00的棚外氣溫，i為時序（以當(dāng)日夜間0：00為0）。由于方程選取夜間降溫?cái)?shù)據(jù)模擬得出，所以方程在使用時是有條件的，必須將有效時序與實(shí)際有效時間對應(yīng)起來，最終總模型如下：

T=（7.599+0.000 24f+0.41t）exp（-0.015i）

0≤i≤10，對應(yīng)于5日0：00—10：0024≤i≤34，對應(yīng)于6日0：00—10：0048≤i≤58，對應(yīng)于7日0：00—10：0096≤i≤106，對應(yīng)于8日0：00—10：00120≤i≤130，對應(yīng)于9日0：00—10：00

在業(yè)務(wù)應(yīng)用中，可將天氣預(yù)報(bào)、當(dāng)天溫棚實(shí)況信息與該模型結(jié)合起來，以天氣預(yù)報(bào)的實(shí)際晴陰天情況來預(yù)報(bào)大棚內(nèi)的夜間溫度。

2.2 模型檢驗(yàn)

2月4日0：00棚外氣溫為-7.6 ℃，2月3日白天總輻射累計(jì)值為20 906 W/m2，帶入模型得到34組模擬數(shù)值，以降溫?cái)?shù)據(jù)實(shí)測值為橫坐標(biāo)、模擬值為縱坐標(biāo)，在1∶1相關(guān)圖（圖4）上進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)離散點(diǎn)保持在y=x附近，離散度較小。

將模擬值和實(shí)測值采用標(biāo)準(zhǔn)差（SE）和均方差根誤差（RMSE）進(jìn)行精度分析，得到SE=0.851 ℃，RMSE=0.844 ℃，表明模擬值和實(shí)測值之間的平均誤差在1 ℃以內(nèi)，溫度預(yù)報(bào)模型具有較好的擬合精度，棚內(nèi)氣溫模擬預(yù)報(bào)方程可信。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

（1）永寧縣冬季設(shè)施大棚內(nèi)溫度變化比較劇烈，遇到連陰天或低溫寡照天氣溫度變化比較平穩(wěn)，棚內(nèi)日最高氣溫明顯高于棚外，棚內(nèi)日最低氣溫一般出現(xiàn)在10：00左右，而棚外最低氣溫出現(xiàn)在4：00—8：00，出現(xiàn)時間明顯早于棚內(nèi)。

（2）利用多元回歸和趨勢擬合的方法，以溫棚自動氣象站容易監(jiān)測的溫度、總輻射等氣象要素，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)的實(shí)際陰天天數(shù)為因子，構(gòu)建了適用于永寧縣第二代節(jié)能日光溫棚的棚內(nèi)連陰天氣溫度預(yù)報(bào)模型，可以計(jì)算出模型適宜范圍內(nèi)任意時刻的棚內(nèi)溫度。并對預(yù)報(bào)模型進(jìn)行了擬合度檢驗(yàn)和誤差分析，棚內(nèi)氣溫?cái)M合值與實(shí)測值的SE=0.851 ℃，RMSE=0.844 ℃。

3.2 討論

本文分析的棚內(nèi)、棚外氣溫變化規(guī)律與范遼生等[9]單層棚膜小氣候分析結(jié)論一致；預(yù)報(bào)模型的模擬程度也與金志鳳等[10-11]的模型擬合精度基本相當(dāng)。但由于以下方面的原因，模型也有一定的局限性和不準(zhǔn)確性：一是由于溫棚管理、棚膜保溫材料、墻體結(jié)構(gòu)等方面的差異，甚至種植作物的不同，都可能影響到模型的應(yīng)用效果，不能很好地應(yīng)用于當(dāng)?shù)厮袦嘏铩６钱?dāng)天氣預(yù)報(bào)出現(xiàn)較大偏差時，其棚內(nèi)氣溫預(yù)報(bào)也會有較大誤差，給模型的應(yīng)用帶來不便。如何與精細(xì)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)結(jié)合，提高模型應(yīng)用的精細(xì)化和客觀化水平，需要進(jìn)一步積累資料并進(jìn)行深入研究。

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